JP5352111B2 - 欠陥検査方法及びこれを用いた欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、欠陥検査方法及びこれを用いた欠陥検査装置に係り、特に、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイの製造工程に代表される薄膜プロセスを経て基板上に形成された微細パターンの欠陥や異物などの欠陥検査方法及びこれを用いた欠陥検査装置に関する。

従来の半導体検査装置として、国際公開特許ＷＯ２００３／０８３５６０号がある。この検査装置は、ウェハ表面を斜方より単一波長にて照明してウェハ上での散乱光を検出する暗視野検出光学系を搭載している。この光学系には周期的なパターンからの回折光を対物レンズの後側焦点位置(射出瞳位置)に配置した空間フィルタにより遮光している。この空間フィルタとして、紫外線に適合した液晶フィルタを用いた構成が示されている。

国際公開特許 ＷＯ２００３／０８３５６０号公報

半導体ウェハ上には様々なパターンが形成されており、欠陥の種類も発生原因に応じて多様である。光学式暗視野検出方式では光源としてレーザが用いられており、単一波長の照明光である。

しかし、単一波長では欠陥材料の光学定数や欠陥周辺の形状・構造によって、殆ど欠陥からの散乱光が得られないことがある。一例として、積層されるパターンの電気的絶縁膜としてシリコン酸化膜が用いられているが、光学的に透明な酸化膜では薄膜干渉を起こすため膜厚に応じて散乱光の強度が変化してしまう。このため、薄膜干渉により、弱め合う膜厚条件では散乱光が極端に小さくなり、検出できなくなる。この対応として照明波長を複数にすることにより、１波長では検出光量が不足する膜厚条件であっても他の波長では欠陥検出に必要な光量を確保できる確率が高くなる。

このように、複数波長照明では欠陥の捕捉率を向上することが可能であるが、メモリセル部のような周期的なパターンからの回折光は、回折角が波長の関数で表されるため、回折像の位置が波長毎に異なる。図３に周期的なパターンを照明光λ_１，λ_２（λ_１が相対的に短波長）にて照明したときの回折像の模式図を示す。この図は、対物レンズの射出瞳４００に形成される回折像の模式図である。λ_１の回折像４１０を（ａ）、λ_２の回折像４３０を（ｂ）に示す。回折像４１０はパターンの周期方向に発生し、図３の例では直交する２方向に周期的なパターンが形成された回折像の例である。これらの回折像を遮光する手段として帯状の遮光帯４２０を回折像のピッチに合せて遮光する手法がある。λ_１とλ_２の２波長を同時照明した場合、実際に検出される回折像は対物レンズの射出瞳４００にλ_１とλ_２の２つの回折像が検出される。このため、（ｃ）のように回折像が多くなり、これらを遮光する場合、遮光帯の本数が多くなって射出瞳の開口率が低下する。このことにより、実質的な解像度が低下するため、微小欠陥のコントラストが低下して欠陥検出感度が低くなるという課題がある。

また、空間フィルタとして液晶フィルタを用いた場合、散乱光を直線偏光にフィルタリングして液晶の配列を電気的に制御して旋光させる必要がある。この旋光量に応じて像面側に配置した偏光板を透過する光の透過率を制御することが可能となる。

しかし、パターンや欠陥の形状・構造・材質などに応じて散乱光の偏光状態が変化する。このため、液晶の物体側（ウェハ側）にて直線偏光にフィルタリングすると、フィルタ透過軸と直交する方向に欠陥散乱光が偏光している場合は欠陥の散乱光が遮光されて、欠陥検出できなくなる。

回路パターンが形成された試料の欠陥を検出する方法において、試料に対して斜方より複数波長で照明し、パターンや欠陥からの散乱・回折光を対物レンズにて捕捉して、周期的なパターンからの回折光をアレイ状の空間フィルタリングデバイスにて遮光し、遮光されなかった光を分光あるいは偏光分岐の少なくて１つ以上の分岐を行い、前記分岐したそれぞれの光路の像面にて画像を検出して比較処理にて欠陥候補を判定する。

また、空間フィルタリングデバイスは液晶或いは複屈折素子を用いた光シャッタ或いはMEMSを用いた光シャッタであり、前記デバイスの透過光を電気制御可能な２次元アレイ状に配列された構造である。

また、空間フィルタリングデバイスとして反射型DMDを用いてDMDへの入射光とフィルタリング後の反射光の分岐に偏光を利用することを特徴とする。

また、空間フィルタリングデバイスはＬｙｏｔフィルタを１次元或いは２次元状に配列した液晶チューナブルフィルタであることを特徴とする。

また、試料を照明する光源はランプ或いは複数レーザ或いは複数波長を発振するレーザであることを特徴とする。

また、波長条件と偏光条件の少なくても１条件が異なる複数種の画像を用いて欠陥判定しており、複数種の比較処理にて欠陥候補が判定された場合は判定結果と判定処理した画像を記憶して、欠陥候補として判定されなかった画像についても欠陥候補と同一空間の画像を記憶して同一空間の異なる条件の画像の特徴量を算出して再度欠陥判定或いは分類を行うことを特徴とする。

本発明によれば、欠陥の形状・構造・材料に応じて変化する検出散乱光を複数波長照明にて安定して検出して欠陥の捕捉率を向上することが可能である。

また、複数波長照明においても検出光学系の開口率低下を抑えて正常パターンの回折光を遮光して、微小欠陥の散乱光を効率的に検出することにより検査感度を向上する。

さらに、欠陥種に応じて散乱光の偏光状態が異なる場合においても、欠陥の散乱光を遮光することなく空間フィルタリングを行うことにより、欠陥の捕捉率を向上することが可能である。

以下に、図面を用いて実施例を詳細に説明する。

本発明による半導体ウェハ欠陥検査装置の光学系の構成を図１に示す。ウェハ１上にパターン２が形成されており、欠陥３が存在している。ウェハ１に対して、斜方に配置された複数波長（本実施例では２波長λ_１，λ_２）の照明光学系５より、ウェハ１を照明する。照明光学系５に用いられている光源７としては、d線(588nm)、e線(546nm)、g(436nm)、h(405nm)、i線(365nm)を発光する水銀ランプやYAG第２高調波の532nmレーザ及び、第３高調波355nm或いは第４高調波266nmレーザ、199nmレーザなどDUV(Deep Ultraviolet)光から可視光が候補である。このうちの２波長(λ_１，λ_２)を照明光学系より、ウェハ１上に照明する。パターン２や欠陥３で散乱した光の内、対物レンズ１０のNA(Numerical Aperture)内に伝播した光は対物レンズ１０に捕捉され、対物レンズ１０の後側焦点（射出瞳）位置に回折像を形成する。この後側焦点位置或いは共役位置に空間フィルタ２０を配置し、周期的な正常パターン２からの回折光を遮光する。空間フィルタ２０を透過した光は、ダイクロイックミラー２５で波長に応じて光路を分岐する。ダイクロイックミラー２５を透過したλ_１は結像レンズ３０を介して、イメージセンサ１００上にウェハ１の像を結像する。一方、ダイクロイックミラー２５を反射したλ_２は、結像レンズ３５を介してイメージセンサ１１０上にウェハ１の散乱像を結像する。

この光学系を用いた検査装置の構成を図２に示す。ウェハ１はステージ４上に搭載されており、ウェハ１上に形成されたパターン２とステージ走査方向のθアライメントを行う。ウェハ１の暗視野画像はＸ方向にステージ４を定速走査しながら連続的に散乱光の画像を検出する。光源としては、DUV(Deep Ultraviolet)〜UV光の波長帯のうち特定波長λ_１(例えば、YAGの第３高調波の355nm)を発振するλ_１レーザ８を用いており、出力したλ_１レーザ光はミラー２０１とダイクロイックミラー２０５を反射する。また、λ_１レーザ８とは異なる波長λ_２(例えば、YAGの第２高調波の532nm)を発振するλ_２レーザ９を出力したλ_２レーザ光はダイクロイックミラー２０５を透過し、λ_１と同じ光軸を伝播する。λ_１，_２の２波長のレーザ光はミラー２０７を反射、１／２波長板２１０を透過して、波長依存性の少ないハーフミラー２２０にて光路が分岐され、ハーフミラー２２０を反射したλ_１，λ_２の光はミラー位置制御機構２６０を備えたミラー２７０を反射して、１／２波長板２８０，１／４波長板２９０を透過する。この波長板２８０，２９０により、ウェハ１に対して所定のS/P/円偏光あるいはその中間的な偏光状態にしてレンズ２９５に入射し、ウェハ１上をＹ方向が長手となる線状に照明する。

一方、ハーフミラー２２０を透過したλ₁，λ_２のレーザ光は、１／４波長板２２５を透過、ミラー２３０を反射してミラー位置制御機構２４０を備えたミラー２５０を反射し、レンズ２５５を介してウェハ１上をＹ方向が長手の線状に照明する。ミラー位置制御機構２４０，２６０は、それぞれに取り付けられたミラー２５０，２７０の高さと角度を制御可能であり、ウェハ１を照明する仰角を制御可能としている。本実施例ではハーフミラー２２０を用いて、Ｘ・Ｙの２方向からの同時照明を実施例として記載したが、ハーフミラー２２０を光路から外すことによりＸ方向からの照明のみとする実施形態や、ハーフミラー２２０の替わりに全て反射するミラーを配置することによりＹ方向からの照明にすることも実施形態として考えられる。

さらに、本実施例では照明方位はＸ，Ｙ方向からの照明を示しているが、例えばＹ軸から４５度や２０度などの方位から照明する形態も本実施例の変形例として考えられる。また、ハーフミラー２２０の代わりにダイクロイックミラーを用いることにより、照明方位ごとに波長の異なる照明が可能となる。照明仰角や照明方位を変更する理由は、欠陥やパターンの方向性や欠陥形状、凹凸（例えば、ウェハ上にてZ方向に凸形状となる異物や、凹形状となるスクラッチ）に応じて散乱分布が異なるため、検査対象となる欠陥やパターンに応じて、検査に有利な条件に設定可能とするための機能である。欠陥３やパターン２からの散乱光は、対物レンズ１０，空間フィルタ２０，ダイクロイックミラー３２を介して、ダイクロイックミラー３２にて透過した波長λ_１による散乱像をイメージセンサ１００上に結像する。ダイクロイックミラー２５を反射したλ_２による散乱像はイメージセンサ１１０上に結像する。検出した画像は、画像処理部３００に入力され、設計上同一パターンの像（例えば、隣接ダイの画像）と比較し、欠陥３を検出する。検出した欠陥の座標や大きさ及び明るさなどの欠陥情報は操作部３２０に送られ、検査装置ユーザがウェハ上の欠陥マップなどの欠陥情報を表示・欠陥情報データを出力することが可能となる。

また、操作部３２０は検査装置の動作指示を行う機能も備えており、機構制御部３３０に動作の指示を行い、機構制御部３３０からステージ４や光学系機構制御部３４０の動作をコントロールする。この光学系の用いる空間フィルタとして、複屈折素子(LiNbO₃やPLZTなど)の電気光学効果を利用したマイクロシャッタアレイや液晶フィルタ及びMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を用いた１次元及び２次元アレイ状のフィルタが実施形態としてある。これらのデバイスでは、電気制御により高速に光の透過/遮光をスイッチングできるため、ウェハ１上のパターン２のピッチや形状に応じて検査中に適切なフィルタリングパターンに変更することが可能となる。図３（ｄ）にその形態を示す。２次元空間フィルタ５００を回折像が形成される対物レンズ１０の後側焦点面(射出瞳面)或いはその共役位置に配置する。回折像が形成される位置の２次元空間フィルタ５００の画素５１０を遮光する設定にする。これにより、図３（ｃ）に示す遮光帯４２０による回折光４１０、４３０の遮光よりも、射出瞳の開口率が大きくなり、光学系の解像度低下を抑制することが出来る。

図４（ａ）に液晶フィルタ５００ａを空間フィルタリングデバイスとして用いた例を示す。液晶フィルタ入射光１５０は、第１偏光板１５５にて透過軸に対応した直線偏光のみが透過する。TFT(Thin Film Transistors)基板１６０にて、透明電極１８０の印加電圧を制御して２つの配向膜１６５、１７５の間に封入されている液晶１７０の配列を変更する。この液晶１７０の配列に応じて、第２偏光板１８５を透過するフィルタ透過光１９０の透過率を制御可能とする。この液晶フィルタ５００ａは、２次元のアレイ状に画素が配列されており、１画素５０５ごとに光の透過率を制御可能である。

図４（ｂ）に電気光学効果を利用した２次元空間フィルタ５００ｂの構造を示す。入射光１５０は第１偏光板１５５にて直線偏光成分が透過し、PLZT［(Pb,La)(Zr,Ti)O₃の略］或いはLiNbO₃などの電気光学効果を有した複屈折材１７２に入射する。この複屈折材１７２は、１次元もしくは２次元アレイ状に配置されており、それぞれの画素ごとに形成された電極の印加電圧に応じて入射した直線偏光の振動方向を制御し、第２偏光板１８５の透過率を変えることが可能となる。

図４（ｃ１）にMEMSを用いた２次元空間フィルタ５００ｃの構造を示す。MEMSは２次元アレイ状に画素が配列されており、１画素５０６には図４（ｃ２）に示す遮蔽部５０７と電極５０８が形成されている。遮蔽部５０７と電極５０８に所定の電圧を印加することにより、静電容量の作用によって遮蔽部５０７が電極５０８側に倒れて入射光を透過させることが可能となる。このため、遮蔽部５０７、電極５０８への印加電圧を制御することにより、遮蔽部の開閉状態が切換って入射光の透過/遮蔽を画素単位で制御することが可能となる。

図３（ｄ）と図４に示す２次元空間フィルタでは、遮光する画素５１０はλ_１，λ_２の２波長共に遮光する。しかし、λ_１，λ_２の回折光の位置は一致しないので、λ_１の回折像が形成される画素はλ_１のみ遮光し、λ_２の回折像が形成される画素はλ_２のみ遮光することにより、実質的な開口が大きくなる。

図５にLyotフィルタの原理を用いた液晶チューナブルフィルタLCTF(Liquid Crystal Tunable Filter)を２次元アレイ状に配列させて形成した２次元アレイ液晶チューナブルフィルタ５００ｄを空間フィルタとした例を示す。λ_１，λ_２の光が第１偏光板５５０に入射した場合、直線偏光となって波長板５５０に入射して位相差を受ける。TFT(Thin Film Transistor)基板５６０にて、配向膜５７０と配向膜５８０の間に封入された液晶５７５の配列をスイッチングさせ、透明電極５８５、第２偏光板５９０を透過した光が検出される。
この構成により、波長を選択して透過/遮光を制御することができる。

図６（ａ）にλ_１を透過させる条件とした場合に分光透過特性を示す。図６（ｂ）はλ_２を透過、（ｃ）はλ_１，λ_２共に透過させる条件とした場合の分光透過率である。図６（ｄ）に２次元アレイ液晶チューナブルフィルタ５００ｄを空間フィルタとして用いた場合の状態を示す。λ_１、λ_２の回折像４１０，４２０が形成される位置に対応した画素はそれぞれの波長を遮光する光学条件とすることにより、例えばλ_１の回折像を遮光してλ_２を透過させることが可能とまり、不要な開口の遮蔽を抑制することが可能となる。

図４（ａ）（ｂ）及び図５に示した空間フィルタは、入射光を直線偏光にする必要があるため、入射側に偏光板が配置されている。検出対象となる欠陥からの散乱光は偏光特性を有しており、欠陥種によってその偏光状態が変化する。例えば、直線偏光にて欠陥を照明しても散乱光が楕円偏光になったり、楕円の長軸が回転（旋光）するような現象が生じる。

このため、特定の偏光のみを検出した場合、欠陥散乱光を遮光してしまうため欠陥を見逃す恐れがある。このため、図４（ａ）（ｂ）及び図５に示した空間フィルタ５００を使用しても見逃しを防止する光学系の構成を図７に示す。検出光路に偏光ビームスプリッタ１５を配置して、直線偏光として２つの光路に検出系を分岐し、それぞれの光路に空間フィルタ５００を配置する。これにより、様々な欠陥からの散乱光を遮光することなく検出可能な構成となる。また、それぞれの光路にはダイクロイックミラー２５ａ，２５ｂを配置して分光してそれぞれの光路にイメージセンサ１００ａ，１１０ａ，１００ｂ，１１０ｂを配置して散乱像を検出する。

なお、対物レンズ１０と偏光ビームスプリッタ１５の間に、回転機能１２の付いた１／４波長板１１と回転機能１３の付いた１／２波長板１４を配置している。このはたらきについて、図８を用いて説明する。図８（ａ）にウェハ１に対する照明光の方位と照明光の偏光の定義を示す。照明光１３０ａは、ウェハ１に対してＹ方向より斜方照明する。この照明光１３０ａの光軸に直交する断面を１４０ａに示す。ウェハ１に対するＳ偏光を基準として、時計回りに９０度偏光（電場ベクトルの振動方向）が回転するとＰ偏光照明になる。Ｓ偏光照明の場合の偏光の振動方向は１３５ａとなる。これに対して、照明方位がθ_１回転した場合、照明光１３０ｂのＳ偏光は振動方向が１３５ｂとなる。図８（ｂ）に検光子（対物レンズ１０にて散乱光を捕捉した検出光路に配置する偏光板）の透過軸の方向を定義する。この図は、検光子を図７に示す偏光ビームスプリッタの透過側と仮定してイメージセンサ１００ａ側から見た平面図である。Ｘ方向を検光子透過軸の基準とし、時計方向に検光子（図７の例では偏光ビームスプリッタ１５）を回転した角をθ_２とする。図８（ｃ）にＹ方向照明にてＳ偏光及びＰ偏光照明した場合のパターン散乱光の検光子透過光量を示す。Ｘ・Ｙ方向に平行或いは直交するパターン２からの散乱光は、Ｓ偏光照明では検光子回転角θ_２が０度にて透過光が最大となり、Ｐ偏光照明では最小となる。また、検光子回転角θ_２が９０度にてＳ偏光照明では透過光量が最小となり、Ｐ偏光照明では透過光量が最大となる。

一方、図８（ａ）に示すθ_１方位（この例では４５度）からの照明光１３０ｂがＳ偏光の場合は、検光子回転角θ_２がθ_１（この例では４５度）にて透過光量が最大、Ｐ偏光照明にて透過光量が最小となる。このため、ウェハ１に対して同じＳ偏光照明であっても照明方位が違うと、検光子の透過光量が最大/最小となる角度が異なる。欠陥検出上、半導体デバイスにとって致命性のないパターンのLER（Line Edge Roughness）や微小な形状の違い及び表面のグレインや層間絶縁膜の膜厚変動によるパターンの散乱光の明るさ変動が感度阻害要因（ノイズ光）となるが、これらのノイズ光も図８（ｃ）及び（ｄ）と同じような特性となる。このため、図７の構成にて、ウェハ１に対してＹ方向よりＳ偏光照明をした場合、偏光ビームスプリッタ１５を反射したＳ偏光がＸ・Ｙ方向に平行あるいは直交するパターンからの散乱光やノイズ光を最小にすることが可能である（クロスニコルとなる検光子の配置）。一方、欠陥には様々な方向があり、欠陥散乱光の偏光は偏光ビームスプリッタ１５を反射するＳ偏光にて最小になるとは限らない。このため、偏光ビームスプリッタ１５の反射光（Ｓ偏光）は、ノイズ光の反射光量が小さく、欠陥散乱光の反射光量が多くなるため、偏光ビームスプリッタ１５を反射したＳ偏光による散乱像は欠陥検出に有利な高S/N像となる。なお、欠陥の形状や種類、材質によっては、偏光ビームスプリッタ１５を透過するＰ偏光（平行ニコルとなる検光子の配置）が高S/Nになることもある。このため、偏光ビームスプリッタ１５にてクロスニコル（反射）、平行ニコル（透過）に検光したそれぞれの像を同時検出して欠陥判定することにより、ウェハ１上に存在する欠陥の捕捉率を向上することが可能となる。

但し、図７，図８（ａ）にてＹ方向がＹ方向から４５度（θ_１）の方位となった場合はウェハ１に対して同じＳ偏光照明であっても、クロスニコル及び平行ニコルの検光方向は変化する。このため、対物レンズ１０と偏光ビームスプリッタ１５の間に、回転機能１３の付いた１／２波長板１４を配置して回転角を制御することにより、照明方位が変わった場合においても偏光ビームスプリッタを回転させることなく、平行／クロスニコルとなるように１／２波長板１４を回転させる。

また、４５度方位照明では図８（ｄ）に示す通り、検光した光の最大透過光量ｂ２と最小透過光量ａ２の比（ａ２／ｂ２：楕円率）が、図８（ｃ）に示すｂ１とａ１の比よりも大きくなっており、パターン散乱光の偏光が比較的大きな楕円率になっている。このような場合は、クロスニコルにてノイズ光を十分抑制できないため、１／４波長板１１にて楕円偏光が直線偏光となるように、回転機構１２にて１／４波長板１１を回転制御する。これにより、ノイズ光を抑制した高Ｓ／Ｎな画像を検出可能となり、欠陥出感度向上が可能となる。

図９（ａ）にウェハ１上にて空間的に離れた位置にλ_１にてＹ方位照明１３０ａ，λ_２にて４５度方位照明１３０ｂを同時に行った場合の平面図を示す。Ｙ方位照明１３０ａはウェハ１に対してＳ偏光照明とし、４５度方位照明１３０ｂはウェハ１の投射ベクトルがＹ方位照明１３０のＳ偏光と平行となるようにする。このため、４５度方位照明の偏光は、ウェハ１に対してＳとＰ偏光の中間的な偏光となる。この場合、２方位の照明光１３０ａ，１３０ｂの散乱光は、クロスニコルとなる偏光の振動方向が一致するため、図７に示した偏光ビームスプリッタ１５を用いた構成において、Ｙ方位及び４５度方位共にクロスニコルと平行ニコルの散乱像を検出することが可能である。

一方、図９（ｂ）に示す通り、λ_１のＹ方位照明１３０ａ，λ_２の４５度方位照明１３０ｂ共に、ウェハ１に対してＳ偏光で照明することにより、欠陥検出感度を向上できることがある。この２方位の同時照明条件では、図７に示す構成にてそれぞれの照明方位が同時にクロスニコルとなる検出はできない。このため、それぞれの照明方位がクロスニコルとなる光学系の構成を図１０に示す。ダイクロイックミラー２５にて、λ_１を透過、λ_２を反射する。透過したλ_１の光路には空間フィルタ５００ａが配置され、１／４波長板７２０ａと１／２波長板７２５ａ及びこれらを独立して回転させて位置決めできる回転機構７５０ａが備わっている。この回転可能な１／４波長板７２０ａと１／２波長板７２５ａにて、偏光ビームスプリッタ７３０ａに対して検出した散乱光がクロスニコルと平行ニコルとなる条件あるいは、より高Ｓ／Ｎとなる中間的な検光条件に設定される。偏光ビームスプリッタ７３０ａで偏光分岐されたそれぞれの像面にイメージセンサ１００ａ，１１０ａが配置され、λ_１による２種の検光した暗視野像を検出する。ダイクロイックミラー２５を反射したλ２についても同様に、空間フィルタ５００ｂ、１／４波長板７２０ｂ、１／２波長板７２５ｂ、回転機構７５０ｂ、偏光ビームスプリッタ７３０ｂを配置し、それぞれの像面にイメージセンサ１００ｂ、１１０ｂを配置する。以上、照明方位と波長及び偏光の異なる４種の画像を同時に検出することが可能となる。

図１１に空間フィルタとして、２次元アレイ状のDMD(Digital Micromirror Device)を利用した反射型空間光変調器を用いた光学系の構成を示す。対物レンズ１０にて捕捉した散乱光は、回転機構１２のついた１／４波長板１１と回転機構１３のついた１／２波長板１４を透過して、偏光ビームスプリッタ１５に入射する。偏光ビームスプリッタ１５を透過したP偏光成分は、１／４波長板１８ａにて円偏光となり、対物レンズ１０の後側焦点位置或いはその共役位置に配置した反射型空間光変調器５３２ａに入射する。反射型空間光変調器５３２ａは、個々のミラー面が電気的な制御により傾斜するものであり、ウェハ上のパターンからの回折光を遮光したい場合はミラーが傾斜して光路から回折光を外して遮光する。検出したい光はミラーを傾斜させずに、ミラーに対して垂直に光が入射するようにミラー面が設定されており、反射光は入射した光路と同じ光路を逆方向に伝播する。再度１／４波長板１８ａを透過した光は偏光ビームスプリッタ１５に対して、Ｓ偏光となって反射する。反射した光は結像レンズ３０ａ及び、ダイクロイックミラー２５ａに入射する。ダイクロイックミラー２５ａにて透過したλ_１と反射したλ_２の像面には、それぞれイメージセンサ１００ａ，１１０ａが配置され、暗視野像が検出される。

一方、対物レンズ１０側から偏光ビームスプリッタ１５に入射して反射するＳ偏光は、１／２波長板１７にて第２の偏光ビームスプリッタ１６に対してＰ偏光となって偏光ビームスプリッタ１６を透過する。１／４波長板１８ｂにて円偏光となり、反射型空間光変調器５３２ｂにて検出したくない回折光のみを光路外に反射させて遮光し、再度１／４波長板１８ｂにてＳ偏光となって偏光ビームスプリッタ１６を反射する。さらに、ダイクロイックミラー２５ｂでは透過したλ_１と反射したλ_２の像面には、それぞれイメージセンサ１００ｂ，１１０ｂが配置され、暗視野像が検出される。

これらのイメージセンサで検出した画像を処理して欠陥を判定するブロック図を図１２に示す。イメージセンサ１００ａにて検出された画像は、階調変換部３０１ａにて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像の一方は位置合せ部３０５ａに送られ、他方はメモリ３０３ａに送られる。位置合せ分３０５ａでは既に送られた画像と設計上同じパターン（例えば、隣接ダイ）となるまでメモリ部３０３ａに格納されてメモリ部３０３ａから送られた画像と位置合わせする。比較部３０７ａでは位置合せされた２画像の差画像などの比較処理を行い、比較の結果として画像の特徴量を算出する。この特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部３１５にて欠陥を判定する。この一連の処理をイメージセンサ１００ｂ，１１０ａ，１１０ｂそれぞれについても同様に行う。

さらに、それぞれの画像で比較した結果は位置合せ部３１０に送られ、偏光、波長の異なる４画像の位置合せを行い、これら異なる光学条件での画像の特徴量を比較して、この特徴量を欠陥判定部３１５に送って欠陥を判定する。以上、欠陥判定部では５種類の特徴量を用いて判定を行う訳であるが、何れかの判定結果にて欠陥だと判定された場合は、残る４種類の特徴量も併せて分類部３１７に特徴量が送られる。この分類部３１７にて、欠陥の種類（例えば、異物やエッチング残り、スクラッチなど）や、擬似欠陥（デバイスにとって致命性のない酸化膜の明るさむらやパターンのラフネス及び、グレインなど）を分類し、欠陥の座標や分類結果及び特徴量などを出力する。

次に干渉フィルタやシャープカットフィルタのような波長選択フィルタを用いた空間フィルタリングの手法を説明する。図１３に、２種類の分光特性を示す。λ_１透過フィルタの分光特性６１０はλ_２をカット、λ_２透過の分光特性６０５はλ_１をカットする特性を有している。これらの分光透過特性を有したフィルタの配置例を図１４に示す。λ_１透過フィルタ６１５，λ_２透過フィルタ６２０共に対物レンズ１０の後側焦点位置に近接して配置する。λ_１透過フィルタ６１５はλ_２回折光４３０を遮光、λ_２透過フィルタ６２０はλ_１回折光４１０を遮光するように、それぞれの透過フィルタを位置決めする。

この回折光と透過フィルタの位置関係を対物レンズの射出瞳を平面的に見た図１５に示す。λ_１，λ_２透過フィルタ６１５，６２０はライン形状をしており、回折光に対応して複数配置されている。これらのλ_１透過フィルタ６１５はλ_２回折像４３０、λ_２透過フィルタ６２０はλ_１回折光４１０のピッチに対応して、それぞれの透過フィルタの位置を調整可能な構成となっている。但し、λ_１透過フィルタ６１５を透過した光と透過フィルタ以外を通過した光の光路は、フィルタ６１５と空気の屈折率差とフィルタの厚みで決まる光路差が生じる。このため、像面にて形成される像が劣化する。

この対策を図１６に示す。分光透過フィルタユニット６３０には、λ_１透過フィルタ６１５とλ_２透過フィルタ６２０が配置されている。これらのフィルタの屈折率とほぼ同じ屈折率の光路差補正液６３１が分光透過フィルタユニット６３０に充填されており、フィルタ透過光とそれ以外の光の光路差を低減する。

図１７（ａ）にウェハ１とダイ７７０のレイアウトを示す。（ｂ）に示す通り、ダイ内にはメモリマット部７８０がマトリクス状に形成されており、その間に周辺回路７９０が形成されている。検査時のウェハ走査方向８００を右側と仮定し、この時の視野を８１０とする。このとき、メモリマット端Ａ部に着目すると、空間フィルタリングは対物レンズの後側焦点位置にて行うため、視野内のメモリマット部７８０と周辺回路部７９０の回折像が重なって検出される。この場合、メモリマット部７８０の回折光が遮光されるように空間フィルタを設定した場合、メモリマット部７８０のパターンピッチと異なる周辺回路部８１０からの回折光は遮光されず、周辺回路部８１０の欠陥検出性能が低下する。この対応として（ｃ）に示すステージ走査方向の照明幅Ｌを細くする形態がある。ステージ走査速度をVmm/秒、空間フィルタの遮光部切換え応答周波数をＲHzとした場合、ステージ走査方向の照明幅ＬをＶ／Ｒ以下とする。例えば、Ｖ：1000mm/秒、Ｒ：100kHz（例：LiNbO₃の電気光学効果）とした場合、照明幅Lは10mmとなる。この照明幅10mmより細かくしても、空間フィルタの切換え速度に起因して、メモリマット部７８０と周辺回路部７９０の境界部でそれぞれの領域に対応したフィルタリングが出来ない。

また、さらに照明幅Lを細く照明しても、空間フィルタリング上は問題ないがウェハ１上の照明強度が高くなるため、ウェハ１へのダメージが問題となる。このため、照明幅は10mmからウェハ１にダメージを与えない照明強度となる最小線幅の間が適切な照明幅Lとなる。これにより、検出視野の幅方向にてメモリマット部７８０と周辺回路部７９０がオーバーラップする割合を低下し、メモリマット部の端においてもメモリマット部の回折光を遮光する空間フィルタ条件、周辺回路部の端においても周辺回路部からの回折光を遮光する空間フィルタ条件に切替えて、それぞれ回折光を遮光した散乱像を検出することが可能となる。以上により、メモリマット部７８０と周辺回路部７９０の境界においても高感度に検査することが可能となる。

空間フィルタの条件を決める条件出し手法を図１８に示す。視野内に回折像を遮光したいパターンを配置して瞳像を取り込み、取り込んだ画像より回折光の位置を検出して遮光部を判定する。判定した位置に対応する空間フィルタの画素を遮光される条件に設定する。再度、瞳画像を取込み、回折光の漏れがないか設定状態の良否判定を行い、良くない場合は液晶フィルタの設定に戻る。良い場合は他の検査条件を設定し、テスト検査及び感度調整を行って、条件出し終了とする。

なお、同一ウェハ内に複数のパターンピッチが存在し、それぞれ空間フィルタの遮光条件を設定したい場合は、それぞれのパターンピッチにて空間フィルタ設定を行う。この場合、実際の検査ではウェハ１の座標に基づいて空間フィルタの設定条件を応答性10ms以下の瞬時に切換える。また、図１４では省略したが、空間フィルタの設定は波長毎に行う必要がある。
以上の実施例で示した構成や機能及び画像処理内容については、様々な組合せが考えられるが、それらの組合せについても本発明の範囲内であることは明らかである。

本実施例１で示す光学系の構成図。 本実施例１で示す検査装置の構成図。 射出瞳位置における回折像と空間フィルタリングの説明図。 透過型２次元アレイ空間フィルタの構成図。 ２次元アレイ液晶チューナブルフィルタの構成図。 ２次元アレイ液晶チューナブルフィルタの分光特性と遮光の説明図。 本実施例４で示す光学系の構成図。 照明の偏光と検光によるノイズ光の検出特性の概念図。 照明方位と偏光の概念図。 本実施例５で示す光学系の構成図。 反射型２次元アレイ空間フィルタを用いた光学系の構成図。 本実施例７で示す光学系の構成図。 分光透過フィルタの光学特性図。 分光透過フィルタユニットの配置図。 分光透過フィルタユニットの構成図。 光路差補償ユニットの構成図。 細線照明による効果の概念図。 条件出し手順の流れ図。

符号の説明

１…ウェハ、２…パターン、３…欠陥、４…ステージ、５…照明光学系、７…光源、８…照明領域、１０…対物レンズ、２０…空間フィルタ、２５…ダイクロイックミラー、３０…結像レンズ、３５…結像レンズ、１００…イメージセンサ、１１０…イメージセンサ、３００…画像処理部、３２０…操作部、３３０…機構制御部、３４０…光学系機構制御部、５００…液晶空間フィルタ。

Claims (13)

1. 回路パターンが形成された試料の欠陥を検出する欠陥検査方法において、
   前記試料を載置したステージを水平な面内にて走査し、前記試料表面の法線に対して所定の角度を保持しながら波長の異なる複数の照明光で前記試料表面を照明し、
   前記照明光により照明された前記試料表面上から放射される散乱光を対物レンズにて捕捉し、
   前記捕捉された散乱光を透過と遮光を電気的に制御可能な素子がアレイ状に配された空間フィルタリングデバイスにて一部遮光し、
   前記空間フィルタリングデバイスにて遮光されなかった散乱光を分光あるいは偏光分岐により少なくても１つ以上の光路に分岐し、
   前記分岐したそれぞれの光路上の像面にて画像を検出し、
   前記検出した画像のそれぞれを比較処理して前記試料上の欠陥候補を判定し、
   前記空間フィルタリングデバイスは透過型のＭＥＭＳであることを特徴とする欠陥検査方法。
2. 回路パターンが形成された試料の欠陥を検出する欠陥検査方法において、
   前記試料を載置したステージを水平な面内にて走査し、前記試料表面の法線に対して所定の角度を保持しながら第１の波長を有する第１の照明光と、前記第１の照明光と異なる波長を有する第２の照明光とを用いて前記試料表面を照明し、
   前記第１および第２の照明光により照明されて前記試料表面上から放射される散乱光を検出し、
   前記検出した散乱光を波長条件または偏光条件のうちいずれか一方の条件にて第１の分岐を行い、
   前記第１の分岐がされた光路のそれぞれに透過と遮光を電気的に制御可能な素子がアレイ状に配置されたフィタルングデバイスを配置することにより前記散乱光の一部を遮光し、
   前記空間フィルタリングデバイスにて遮光されなかった光を前記第１の分岐条件とは異なる第２の分岐条件にて分岐を行い、
   前記分岐したそれぞれの光路上の像面にて画像を検出し、
   前記画像のそれぞれを比較処理して前記試料上の欠陥候補を判定し、
   前記空間フィルタリングデバイスは透過型のＭＥＭＳであることを特徴とする欠陥検査方法。
3. 前記照明光が２波長であり、前記空間フィルタリングデバイスが前記２波長のうち何れか一方を電気的に遮光する分光特性を有するデバイスであることを特徴とする請求項１または２記載の欠陥検査方法。
4. 前記ステージの走査速度をＶ（mm/sec）とし、前記空間フィルタリングデバイスの遮光部切換え応答周波数をＲ(1/sec)としたとき、前記照明光による照明の幅が、Ｖ／Ｒ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の欠陥検査方法。
5. 前記比較処理において、
   前記波長条件と前記偏光条件のいずれか少なくても１条件が異なる複数の画像を用いて第１の欠陥判定を行い、
   前記第１の欠陥判定において前記複数の画像が欠陥候補と判定された場合は、前記第１の欠陥判定の結果と前記欠陥判定処理した画像とを記憶し、
   前記欠陥候補として判定されなかった画像についても前記欠陥候補と同一空間の画像を記憶して、
   前記記憶した同一空間の異なる条件の画像の特徴量を比較して第２の欠陥判定或いは欠陥分類を行うことを特徴とする請求項１または２記載の欠陥検査方法。
6. 回路パターンが形成された試料の欠陥を検出する欠陥検査装置において、
   前記試料を載置したステージを水平な面内にて走査する走査部と、
   ２波長以上の光を前記試料表面に照明する照明手段とを有し、
   前記照明光により照明された前記試料表面上から放射される散乱光を捕捉する対物レンズと、
   前記捕捉された散乱光を透過と遮光を電気的に制御可能な素子が１次元或いは２次元状にアレイ状に配置された空間フィルタリングデバイスにて一部遮光し、前記遮光されなかった散乱光を分光あるいは偏光分岐により少なくても１つ以上の光路に分岐を行う分岐手段と、
   前記分岐したそれぞれの光路の像面に設けられたイメージセンサと、
   前記イメージセンサにて検出したデジタル画像を比較処理する画像処理部と、
   前記画像処理部にて検出した欠陥の情報を記憶する記憶部とを備え、
   前記空間フィルタリングデバイスは透過型のＭＥＭＳであることを特徴とする欠陥検査装置。
7. 回路パターンが形成された試料の欠陥を検出する欠陥検査装置において、
   前記試料を載置したステージを水平な面内にて走査する走査部と、
   前記試料表面の法線に対して所定の角度を保持しながら前記試料表面を照明する第１の
   波長を有する第１の照明手段と、
   前記第１の波長と異なる波長を有し前記試料表面を照明する第２の照明手段とを有し、
   前記第１と第２の照明手段にて照明された前記試料表面からの散乱光を捕捉する対物レンズと、
   前記捕捉した散乱光を波長条件と偏光条件のいずれか一方の条件にて分岐を行う第１の分岐手段と、
   前記第１の分岐手段にて分岐されたそれぞれの光路に透過と遮光を電気的に制御可能な素子が１次元或いは２次元状にアレイ状に配置された空間フィルタリングデバイスと、
   前記捕捉した散乱光の一部を遮光し、前記第１の分岐手段とは異なる条件にて分岐を行う第２の分岐手段と、
   前記第１及び第２の分岐手段にて分岐したそれぞれの光路の像面に設けたイメージセンサと、
   前記イメージセンサにて検出したデジタル画像を比較処理する画像処理部と、
   前記画像処理にて検出した欠陥の情報を記憶する記憶部を備え、
   前記空間フィルタリングデバイスは透過型のＭＥＭＳであることを特徴とする欠陥検査装置。
8. 前記試料を照明する光源は、ランプ或いは複数レーザ或いは複数波長を発振するレーザであることを特徴とする請求項６または７記載の欠陥検査装置。
9. 前記第２の照明手段は、前記第１の照明手段と照明方位が異なっており、前記対物レンズと前記偏光分岐による分岐手段との間に位相差板を備えたことを特徴とする請求項７記載の欠陥検査装置。
10. 前記位相差板は、回転機構を有した１／２波長板或いは回転機構を有した１／４波長板或いは１／２波長板と１／４波長板を有したことを特徴とする請求項９記載の欠陥検査装置。
11. 前記照明手段は、偏光された光を用いており、前記回路パターンからの散乱光量が前記偏光分岐による分岐手段において反射光或いは透過光がほぼ最小となるように設定可能であることを特徴とする請求項６または７記載の欠陥検査装置。
12. 前記画像処理部では、波長条件と偏光条件の少なくても一つの光学条件が異なる複数種の画像について同一の光学条件かつ設計上同一の回路パターンの画像を比較して欠陥候補を判定しており、前記欠陥候補と判定された座標の複数種の画像を比較処理して再度欠陥判定或いは欠陥分類の少なくても一方を行う機能を有することを特徴とする請求項６または７記載の欠陥検査装置。
13. 前記画像処理部は、波長条件と偏光条件の少なくても一つの光学条件が異なる複数種の画像について同一の光学条件で、かつ設計上同一の回路パターンの画像を比較して欠陥候補としての特徴量を求める第１の特徴算出部と、
    前記画像と同じ座標の前記異なる複数条件の画像を比較して欠陥候補としての特徴量を求める第２の特徴算出部とを有し、
    前記第１及び第２の特徴算出部にて算出した特徴量を用いて欠陥を判定し、前記判定された欠陥の分類を行う欠陥判定・分類部を有することを特徴とする請求項６または７記載の欠陥検査装置。

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